大佛寺井田洛河组砂岩地球化学特征及其对沉积环境和物源的制约

蔡 玥,罗旭东,周对对,刘家鹏,何 静,汪庆国,李登科,魏少妮

(1.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054;2.西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院,陕西 西安 710054;3.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室,陕西 西安 710054;4.陕西彬长大佛寺煤矿有限责任公司,陕西 彬州 713500)

0 引 言

大佛寺井田位于鄂尔多斯盆地一级构造单元渭北隆起北部。下白垩统洛河组厚度为180～240 m,平均220 m,是井田内煤炭开采的主要充水含水层。受物源、沉积环境及构造运动等因素的影响,洛河组岩性、岩相、渗透性、富水性等特征在空间分布上存在差异,导致出水形式特殊,瞬时水量大,是煤炭开采主要水害威胁,严重制约安全生产进程。围绕鄂尔多斯盆地洛河组-环河华池组开展大量研究工作,侯光才、谢从瑞和李嘉璐等从水文地质角度出发,系统查明盆地白垩系洛河组-环河华池组地下水赋存特征、水文地质参数、含水介质孔隙特征和水化学特征等[1-3];李超峰等从防治水角度出发,提出洛河组精细化勘探概念,对洛河组含水层进行垂向差异性研究[4];郭小铭对洛河组垂向沉积控水模式及煤矿开采扰动含水层流场响应特征进行研究,优化了洛河组含水层疏放措施[5];李文平等对盆地巨厚白垩系下煤层开采突泥溃砂物源进行研究,构建了突泥溃砂成灾的地质模型[6];魏斌等以鄂尔多斯盆地为研究单元,从盆地尺度开展白垩系洛河组-环河华池组的沉积相类型划分,认为洛河组主要为冲积扇相、辫状河相、沙漠相和风成沉积相[7];李玉宏等对盆地沉积相进行了区域划分,认为大佛寺井田洛河组主要为河流相沉积[8];谢渊等系统分析了白垩系黏土矿物的分布特征及其形成时的沉积-成岩环境,认为白垩纪盆地处于干旱-半干旱气候环境[9];张忠义通过对白垩系沉积特征研究,认为洛河组物源主要为盆地南部的秦岭、西部的六盘山—贺兰山[10]。目前对洛河组形成时期的古沉积条件以及物质来源的研究多以盆地尺度展开,鄂尔多斯盆地南缘洛河组沉积特征有待深入研究,从地球化学角度开展的沉积特征研究有待探索。

沉积岩的微量元素和稀土元素对沉积期水介质变化较敏感,是古沉积环境恢复及沉积物源分析的有效手段。如U/Th、Co/Ni、Ce/La等可用于古氧化环境的判别[11-13],Co元素可用于古水深的定量计算[14-15],Sr/Ba、Th/U常用于古盐度分析[16-17],Sr/Cu、Rb/Sr可用于古气候的恢复[18-19]。微量元素的构造判别图解可提供物源区性质的重要信息[20-22]。以大佛寺井田白垩系洛河组为研究对象,系统采集样品开展微量及稀土元素地球化学分析,重建洛河组沉积期的古环境与古气候条件,查明其物质来源及源岩属性,揭示洛河组沉积环境演化过程,为白垩系地下水资源的勘查开发利用和矿井水害防治提供依据。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北地台西部,为一走向南北,东缓西陡的中生代不对称向斜盆地,盆地四周被山地环绕,北起阴山,南至秦岭,西接贺兰山—六盘山,东达吕梁山。内有伊盟隆起、西缘逆冲带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带、渭北隆起6个一级构造单元。大佛寺井田位于渭北隆起北部,总体呈走向近北东向,倾向近北的波状单斜构造(图1)。井田范围内白垩系地层自上而下划分为华池组、洛河组、宜君组。洛河组在井田范围广泛分布,与下伏宜君组连续沉积。岩性为棕红色巨厚层状-厚层状细、中、粗粒长石砂岩夹砾质砂岩及暗棕红色薄层泥岩,发育平行层理、板状交错层理、槽状交错层理等。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划(据文献[16]修改)Fig.1 Tectonic zoning map of Ordos Basin(modified by[16])

2 样品采集与分析方法

本次地球化学测试样品采自D40302和D40307两口钻井,从洛河组底板至顶板,总计30件样品(图2、图3)。

图2 大佛寺矿区D40302(左)和D40307(右)钻孔柱状图及采样位置Fig.2 Column diagram of drill holes D40302(left)and D40307(right)at Dafosi wellfield

图3 洛河组岩芯照片Fig.3 Core of Luohe Formation

将采集到的新鲜砂岩样品在颚式破碎机上进行粗碎,无污染的条件下人工研磨至200目。粉末样品溶解于HNO3、HF及HClO4混合物中,在230 ℃环境下消解5 h后用王水浸提,配成50 mL溶液。溶液样品通过带有Perkin Elmer SciexElan 6000的电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定,微量元素的分析误差<1%,符合硅酸盐岩石化学分析方法(GB/T 14506.30—2010标准)。

3 测试结果

洛河组砂岩具有非常一致的微量元素含量特征(图4)。在原始地幔标准化的微量元素蛛网图上,洛河组砂岩整体富集Cs、Rb、Ba、Th、U等不相容元素,相容元素含量较低。Nb、Ta呈现明显的负异常,Pb正异常显著(图4(a))。稀土元素含量整体偏低,∑REE为68.09～232.72×10-6,平均127.78×10-6,略低于大陆上地壳(UCC)的稀土元素总量146.67×10-6。∑LREE为60.72～209.19×10-6,平均114.45×10-6,∑HREE为7.37～26.11×10-6,平均13.32×10-6。∑LREE/∑HREE为6.34～11.49,平均8.63。在球粒陨石标准化的稀土配分模式上,曲线呈右倾型,轻稀土富集,重稀土平坦分布(图4(b))。(La/Yb)N为8.24～16.67,平均12.42,指示轻重稀土分异较强。(La/Sm)N为4.11～6.13,平均5.04,(Gd/Yb)N为1.25～2.70,平均2.13,指示洛河组砂岩轻稀土元素分馏程度总体强于重稀土元素,N值为球粒陨石标准化数值[23]。δEu为0.84～2.47,平均1.48,显示Eu正异常。

图4 大佛寺井田洛河组砂岩微量元素蛛网和稀土配分模式(标准化数据据[24-25];阴影数据据[26-27])Fig.4 Trace element spider diagram and REE distribution patterns for sandstone of Luohe Formation in the Dafosi Wellfield (standardized data from References[24-25];Shaded area from References[26-27])

4 讨 论

4.1 古氧化还原环境

沉积物氧化还原敏感元素比值被广泛应用于古沉积环境判识[28]。U、Th在不同沉积环境下的赋存状态不同,U在还原条件下溶解度低,氧化条件下易被氧化,发生迁移,Th元素无论在什么样的沉积环境下溶解度都不高,容易富集在沉积物中。Ni元素在氧化环境中易发生迁移,还原状态下易发生沉淀。Co在还原环境中比Ni敏感,造成沉积物中Ni/Co比值增大。张天福等通过对鄂尔多斯盆地北部延安组-直罗组泥岩研究认为,U/Th<0.75指示氧化环境,>1.25指示还原环境;Ni/Co<5指示氧化环境,>7指示还原环境[11];WIGNALL通过测量碎屑物质中U和Th含量之间的关系,提出自生U的计算公式为：AU=U-Th/3,认为AU<5×10-6代表氧化环境,>12×10-6代表缺氧环境[29]。鄂尔多斯盆地南部大佛寺洛河组砂岩U/Th为0.17～1.07,平均0.37;Ni/Co为1.14～2.17,平均1.67;AU为-1.33～7.29,平均0.28(表1),指示氧化环境(图5)。

表1 氧化还原环境微量元素判别指标Table 1 Trace element discriminators for paleo-redox environments

图5 大佛寺井田洛河组砂岩氧化还原判别图解Fig.5 Redox discrimination diagram for sandstone of Luohe Formation in Dafosi wellfield

稀土元素同样可用于判别古氧化还原环境,Ce元素对外界环境变化反应敏感,氧化环境中溶解度较低,表现为亏损,还原环境下表现为富集。ELDERFIELD等提出的Ce异常参数[30]。

Ceanom=Log10[3CeN/2LaN+NdN]

(1)

N为北美页岩标准化数值,是目前常见的判断古氧化还原条件的指标。Ceanom>-0.1时,指示还原环境;Ceanom<-0.1时,指示氧化环境。Ce/La同样可用于判别氧化还原环境,Ce/La<1.5指示为氧化环境,>2为还原环境[13]。大佛寺洛河组砂岩样品的Ceanom为-0.21～-0.07,平均-0.17,Ce/La为1.25～1.69,平均1.39(表1),进一步指示为氧化环境。由岩石学观察可知,洛河组砂岩整体呈现棕红色,指示氧化环境下沉积。综合以上分析结果可知,大佛寺井田洛河组砂岩形成于氧化背景。

4.2 古水深与古盐度

沉积时期的水体深度既与古氧化还原环境息息相关又是恢复古沉积环境的重要参数。沉积物中Co元素的丰度值可以反映出沉积物的沉积速率,可用于古水深的定量计算[14-16,31]。

VS=V0×NCo/(SCo-t×TCo)

(2)

t=SLa/NLa

(3)

(4)

式中h为古水深,m;VS为样品沉积时的沉积速率,m/Ma;V0为沉积物的沉积速率,与具体的沉积相带有关,浅滨湖沉积速率200 m/Ma,三角洲前缘300 m/Ma,河流沉积速率400 m/Ma[15]。大佛寺井田洛河组砂岩形成于河流环境[8],沉积速率为400 m/Ma;SCo为样品中Co的丰度,×10-6;t为物源Co对样品的贡献值;SLa为样品中La的丰度,×10-6;NCo为正常湖泊沉积物中Co的丰度,20×10-6;TCo为陆源碎屑岩中Co的丰度,4.68×10-6;NLa为陆源碎屑岩中La的平均丰度,38.99×10-6[15-16,31]。计算结果显示,大佛寺井田洛河组沉积期古水深为1.33～20.95 m,平均4.14 m。岩性和沉积构造也可判断古水深的相对深度。沉积物中的砂质含量会随着沉积水体深度的增加而减少,相应的黏土质含量则会增加。砾岩、砂岩对应水深为1～10 m,泥质粉砂岩对应水深为5～20 m,暗色泥岩水深>20 m。深水和较深水区主要形成微细水平层理,连续韵律发育,浅水地区层理类型多样,大型交错层理、平行层理、沙纹层理等发育[32]。大佛寺井田洛河组主要沉积砂岩和砾岩,平行层理、板状交错层理、槽状交错层理等发育。岩性和沉积构造均表明沉积时期水体深度较浅。

沉积时期的古水深还可以反应出当时的沉积环境,沉积环境水体深度的不同,含氧程度也不相同。小于15 m为浅水环境,水体充氧程度高,为氧化环境;15 m到20 m之间为半深水环境,表现为弱氧化-弱还原环境;大于20 m为深水环境,表现为强还原环境[31]。由古水深计算结果可知,洛河组砂岩仅有一个样品指示水深大于20 m,其余均小于15 m,平均4.14 m,指示浅水环境,与上文得出的氧化背景相吻合。

古盐度是指保存于沉积物之中的所有可溶盐的质量分数,是区分海相和陆相环境的重要标志。Sr/Ba常用作古盐度的恢复,原理是Sr与Ba的化学性质相近,但Sr的迁移能力高于Ba,更容易迁移到大洋深处,Ba在淡水沉积中容易形成沉淀。Sr/Ba>1是海洋沉淀;<0.6为陆相微咸水或淡水环境;0.6～1之间为海陆过度的半咸水环境[16]。大佛寺井田洛河组砂岩Sr/Ba为0.33～1.99,平均0.82,指示淡水-半咸水环境。

Th/U也可以用来判断古盐度。Th容易被黏土矿物吸附,U容易淋失。海相沉积物中Th/U小于2,陆相则高[17]。大佛寺井田洛河组砂岩样品测试结果显示Th/U为0.93～5.94,平均3.10,结合Sr/Ba(表2),认为大佛寺井田洛河组砂岩沉积水体为陆相淡水环境。

表2 古盐度微量元素判别指标Table 2 Paleosalinity trace element discriminators

4.3 古气候

沉积物中的微量元素在不同的气候环境中存在差异,喜干型元素为：Sr、As、Ca、Pb、Au、Na、Ta、Mg、Mo、U、Zn、B;喜湿型元素为：Mn、Cu、Cr、Ni、Fe、Co、Cs、Ba、Br、Hf、Th、Rb、Sc。喜干型元素(Sr)与喜湿型元素(Cu)的比值可以反映古气候,Sr/Cu<10指示温暖、湿润气候;Sr/Cu>10表示炎热、干燥气候[18]。大佛寺洛河组砂岩Sr/Cu为12.90～362.84,平均95.12,指示干热气候。

Rb/Sr比值对气候变化敏感,Rb相对稳定,Sr易发生淋失,气候干旱时,降水较少,母岩中含有较多的Sr,Rb/Sr比值降低;气候湿润时,降水较多,Sr部分淋失,Rb/Sr比值升高。即Rb/Sr低值指示干旱气候,Rb/Sr数值越高,气候越湿润[19]。大佛寺井田洛河组砂岩Rb/Sr为0.13～0.72,平均0.29。通过对比Sr/Cu和Rb/Sr垂向演化曲线(图6)发现两者在整体上呈现镜像变化的趋势,与前文提到的规律相一致。综合分析指示大佛寺井田洛河组砂岩为干旱炎热的古气候背景。

图6 Sr/Cu和Rb/Sr比值随深度变化曲线Fig.6 Variation of Sr/Cu and Rb/Sr ratios with depth

4.4 沉积物源区

物源分析是盆地分析的重要内容,是再现沉积盆地演化、古环境恢复的重要依据[33]。鄂尔多斯盆地物源主要来自盆地北部阴山和东北部大青山,西部“古陆梁”,西南部东祁连造山带,西北部阿拉善古陆以及南部秦岭造山带[34]。

大佛寺井田洛河组砂岩形成于白垩世,燕山运动使得鄂尔多斯盆地发生了自三叠纪和侏罗纪后的第3次拗陷,形成四周升起、封闭统一的盆地,这一过程使得盆地南部的秦岭有为大佛寺井田洛河组砂岩提供物源的可能。沉积岩稀土元素特征受控于相应物源区的岩石组成,相同来源的沉积岩具有相似的稀土元素配分模式。除Eu元素外,大佛寺井田洛河组砂岩的稀土元素配分模式与北秦岭片麻岩和变质沉积岩的稀土元素配分模式一致(图4(b))。Eu正异常的出现与热液输入增加或斜长石风化程度增大有关[35]。热液沉积情况可通过U/Th判断,比值小于1时指示非热水沉积情况[36]。大佛寺井田U/Th为0.17～1.07,平均0.37,指示非热水沉积环境,据此推断大佛寺井田Eu正异常与斜长石风化程度增大有关,沉积物质来源于北秦岭区域。

除稀土配分模式外,地球化学性质相近的微量元素,在地质作用过程中不易发生分异,受后期风化、成岩等作用的影响相对较弱,可以很好地反应源区的地球化学信息[11]。La/Th-Hf和Co/Th-La/Sc源岩属性判别图解常被用于物质来源分析。如图7所示,洛河组砂岩样品在La/Th-Hf图解中集中分布于长英质、基性岩混合物源和安山岩岛弧物源上。在Co/Th-La/Sc图解中,洛河组砂岩具有低且相对稳定的Co/Th值,平均为1.67,La/Sc值较高且变化较大,显示出酸性和基性物源的混合特征。

图7 大佛寺井田洛河组砂岩物源判别图解Fig.7 Provenance discrimination diagram for sandstone of Luohe Formation in the Dafosi Wellfield

5 结 论

1)鄂尔多斯盆地南部大佛寺井田洛河组砂岩U/Th、Ni/Co、Ce/La、AU、Ceanom显示洛河组沉积期为氧化环境。

2)Co元素含量特征指示洛河组沉积时属于浅水环境,Sr/Ba、Th/U指示洛河组沉积水体为陆相淡水环境,Sr/Cu、Rb/Sr指示大佛寺井田洛河组沉积于干燥气候背景。

3)相似的稀土配分模式显示大佛寺井田洛河组砂岩物源来自于鄂尔多斯盆地南部的北秦岭,洛河组的源岩主要为长英质、基性岩混合物源和安山岩岛弧物源。